摘要
无论规模大小，搅拌式生物反应器都是生物技术生产过程中最常使用的系统。这些系统中使用的叶轮类型、尺寸和数量，对生物反应器的特性和设计有很大影响。根据所需的应用，可以采用经典的轴驱动系统、轴承安装驱动或在容器中自由悬浮的搅拌元件。对于具有高卫生要求的敏感工艺，推荐使用磁力驱动的搅拌系统，这也是近年来许多研究的重点。本综述概述了搅拌式生物反应器系统中最常见的搅拌和密封类型，强调了它们的优点和缺点，并解释了它们可能的应用领域，特别关注了磁力驱动搅拌器的发展，它被广泛用于可重复使用的系统中，在一次性使用的对应系统中也变得越来越重要了。
关键点
- 最经常使用的生物反应器类型的基本设计：搅拌式生物反应器
- 搅拌系统中最常见的密封类型和应用领域的区别
- 全面概述商业上可用的生物反应器密封类型
- 在一次性生物反应器中越来越多地使用磁力驱动的搅拌系统
关键词 生物反应器搅拌•磁耦合•机械密封•唇形密封•卫生要求•应用趋势
引言
搅拌系统在生物技术过程中有着悠久的传统，尤其是在生物制药行业。因此，这些系统及其独特的搅拌器被越来越多地用于通过混合减少液体的不均匀性，从而改善产品质量，提高化学和生物周转率，并加速传热和传质，这并不令人惊讶(表1)。对于微生物（包括酵母）生产生物燃料、共聚物和其他生物产品，使用非无菌开放式发酵过程，其范围从几天到连续运行数月的过程。然而，主要使用大肠杆菌的批处理或喂养批处理，只持续几小时或几天，在微生物领域占主导地位。这与基于哺乳动物细胞的产品，如治疗性抗体、酶、激素和干细胞治疗剂形成鲜明对比，后者通常涉及喂养批次或灌注过程，持续数天或数周，使其生产成本非常高。因此，遵守良好生产规范（GMP）和没有污染物是最重要的。除了中国仓鼠卵巢细胞（CHO）仍占主导地位的动物细胞培养外，使用昆虫和植物细胞的工艺以及使用藻类的开放式和封闭式生产过程也已成熟。
表1 不同细胞系对污染的脆弱性（从低 -- 到高 ++ ），以及不同工艺模式的典型持续时间
细菌、酵母和藻类的脆弱性取决于生产过程（例如，与生物制药生产过程相比，生物燃料生产过程的脆弱性相对较低）
现有广泛的生产生物体和工艺对搅拌式生物反应器提出了不同的要求。为此，可重复使用和一次性使用的搅拌式生物反应器的主要元素，和最经常使用的驱动系统，包括对密封的特别关注，将被总结和讨论它们对各种工艺的适用性。此外，还将讨论越来越多地使用磁力驱动搅拌器的趋势，为读者提供一个参考，以选择合适的在生物技术过程中可供搅拌式生物反应器使用的密封类型。最后，将介绍有关流行的一次性使用技术的新发展。
搅拌式生物反应器及其主要部件
搅拌式生物反应器的广泛接受和频繁使用，可归功于搅拌式系统的早期标准化和卫生设计原则的引入，基于实验方法和计算流体动力学（CFD）的传输过程、功率输入和流体动力学的广泛调查也正在进行，这对容器的几何规格以及大量不同叶轮和其他部件，如挡板和探头的使用与配置产生了重大影响。此外，针对不同工艺生物反应器性能的生物学评价建议以及不同的放大战略也已成功建立。
除了容器及其外围元件的实际设计外，还为容器中的搅拌器开发了针对某些应用领域的磁力驱动和直接驱动方案。然而，在使用直接驱动系统时，必须更加关注卫生设计，以尽量减少污染产品/环境的风险。为了尽量减少这种无菌性问题，一次性技术正越来越多地被用于高价值产品的生产。
可重复使用与一次性使用
塑料制成的一次性生物反应器系统被越来越多的人接受，特别是在生物制药行业，被用作黄金标准不锈钢系统的替代品，这可以解释为细胞培养过程的技术要求和时间。在哺乳动物细胞培养过程中，良好的卫生设计理念和避免潜在的（交叉）污染是至关重要的，更易通过使用一次性生物反应器实现。因此，如果选择和处理得当，这些系统比可重复使用的同类系统更安全、更灵活、更小、更便宜、更环保，这些优点超过了任何限制，如泄漏、破损、可浸出物和可萃取物。因为耗时和昂贵的清洗与热消毒被消除了，预消毒系统可以更快地投入使用。对于微生物过程，限制通常是由于混合、供氧或热传输不足造成的，这仍可以通过使用不锈钢来克服。因此，一次性生物反应器市场份额的增长，只能用生物制药生产过程中对哺乳动物细胞培养的关注来解释。
搅拌式生物反应器的主要组成部分
传统的搅拌式生物反应器由一个配备有电机的容器、一个带有叶轮的轴、一个进气口和一个底部排水口组成（图1）。容器通常是圆柱形的，尽管方形或矩形容器也是可能的。底部或盖子是平的或半球形的，其中盘状底部是最常见的类型。与平面形式相比，这提供了更多的抗压能力，并导致高度低于半球形元件。为便于清洁，在底部和容器壁的连接处避免边缘和死角，对流体流动模式有积极影响。相反，如果生物反应器位于一个整体高度有限的房间，或者为了提高安装探针、矫正装置和额外的进料流的可及性，可以使用平盖；然而，由于卫生设计的原因，应该避免水平表面。
图1 搅拌式生物反应器（1）机械密封（2）进气口（3）轴（4）配备有电机（5）挡板（6）叶轮 （7）用于传热的双层夹套（8）增压器（9）底部排水口（10）H，容器高度；D，容器直径
搅拌式生物反应器的一个重要特征是高度与直径（H/D）之比，它因应用而异。例如，在化学工业中，1:1的比例是典型的，而在实验室和试验规模的细胞培养生物反应器中，2:1的比例则是首选。对于微生物系统，3:1的数值占主导地位，因为这导致供应的气体，如空气或氧气，有更长的停留时间，并且由于更大的表面和体积比，有更好的温度控制。然而，随着生物反应器尺寸的增加，也可以发现5:1和高达6:1的H/D比率。此外，容器通常配备了一个放气装置（充气机）、传热面、底部排水口、壁面挡板，有时还有引流管。如果是集中安装的叶轮，挡板可以防止液体体积的旋转，并通过产生额外的湍流，导致罐顶和罐底之间的轴向混合。最重要的元素是搅拌系统，因为它将混合过程所需的能量转移到液体中。它通常由一根搅拌轴组成，上面有一个或多个叶轮，通过顶部或底部的密封孔插入容器中，电机位于生物反应器外。然而，在选择叶轮时，有一些重要的方面需要考虑，如叶轮的类型、数量和在轴上的安排，这可能会限制某些密封类型的可能应用，并影响密封设计。根据流动模式，叶轮可以分为轴向和径向输送叶轮。这些通常在微生物培养中以高气化率高速使用，以确保适当的混合、高氧气输入和良好的热交换。轴向泵送叶轮，如3叶段叶轮，产生垂直流场，它可以进一步分为向上和向下输送的搅拌器。轴向叶轮的主要应用领域是动物细胞培养过程，其中温和的混合和避免在低速和低气化率下的沉淀是首要任务。由于各种工艺要求和由此产生的转速差异，以及热和机械负荷，轴封被认为是保证无菌操作的关键因素。
生物技术工艺中常用的驱动系统和密封件
驱动系统和它们的位置
由电机和齿轮组成的传统驱动系统或直接与搅拌器轴相连的电机，可以安装在容器的顶部、侧面或下面，这取决于混合任务和容器的几何形状。经济和工艺工程方面的考虑对驱动系统的定位也有决定性的影响。顶部驱动是最常见的，因此是垂直圆柱形容器和小规模生物反应器的标准解决方案。然而，这使得为额外的端口进入顶层空间和移除盖子变得更加困难。由于经济原因，侧向安装通常用于大型储罐，通常安装几个小型搅拌器，以适应液位的变化，在这种情况下，对密封技术的要求比顶部驱动要高得多。与顶部驱动相比，底部驱动系统可以使用更短、更细的搅拌器轴，因为有效弯矩更小，这也意味着在容器内不需要额外的易损轴轴承。将轴穿过容器的底部，还可以将叶轮安装在容器的较低位置，从而降低最低搅拌液面。然而，与顶部驱动系统相比，密封元件暴露在化学、生物和磨蚀性负荷下，会导致周期性和定期维护增加，更换周期缩短。搅拌器在顶部和底部驱动系统中大多集中布置。应该注意的是，为了避免涡流的形成并确保适当的混合，驱动装置也可以偏心安装或以一定的角度安装，这样就可以避免挡板。除了电机安装位置的选择，在选择最合适的密封类型时，应用和工艺相关的因素也起决定性作用，这将在下一小节讨论。
密封类型：概述
无论采用何种安装方法，电机的驱动力最终必须传递给液体。在大多数情况下，这是通过搅拌器轴进行的，搅拌器轴既与非无菌环境又与容器内的加工室、无菌环境或腋窝环境相连。由于这个原因，以符合所需操作条件的方式，来密封搅拌式生物反应器和搅拌器轴之间的接口。根据温度、压力、速度和无菌要求，实施不同的密封原则。无菌密封需要能够防止双向污染，阻止不良微生物进入介质或液体渗出容器。用于生物制药的可重复使用系统中的密封元件也必须适合执行就地清洗（CIP）和就地灭菌（SIP）程序。
由于轴的旋转，有必要使用径向或轴向的动态密封。对齐的密封间隙，意味着它们不受轴向力的影响。然而，由于径向轴的扭曲，径向力会导致泄漏和快速磨损。相反，轴向密封，如机械密封，作用于水平密封面，意味着它们不受径向轴变形的影响。密闭式密封是一种根本不同的方法，在这种方法中，力是通过磁耦合从外部电机间接传递到容器中的叶轮。
表2中总结了各个密封类型的优点和缺点。每种类型都有自己的定位：填料箱是最便宜和最简单的，用于微生物或基于藻类生物质过程中的非无菌应用；简单和便宜的唇形密封用于有轻微无菌问题和短寿命的小型系统（例如，用于非GMP过程的小型一次性生物反应器）；机械密封是一种全面的解决方案，在高速情况下特别有效；而磁性联轴器适用于高度无菌的情况和密封性有问题的情况。然而，使用不同的密封和搅拌器联接方法也受到一些因素的影响，如电机位置、生物反应器材料和所涉及的细胞或微生物。
表2 各种密封的典型操作条件的比较，非常好的比例：++，好：+，平均：O，和相对较差：-，n.a.：不详
为了评估这些密封在日常生物技术操作中的实际应用，我们研究了许多"现成的 "生物反应器模型（表3）。重点是升-规模的生物反应器（台式和试验规模），因为较大的工业规模工厂通常是定制的，可用的数据也相应地有限。
首先，磁性和机械联轴器的使用情况大致相同。许多制造商为他们的生物反应器系统提供直接的、机械密封的连接和磁性联轴器作为选项，应该指出的是，台式和试验规模的连接类型之间的实际差异远没有表2数据显示的那么明显。
表3 可用的生物反应器系统概览，包括其应用范围、电机位置和密封类型
在被调查的 "现成的 "生物反应器中，没有发现填料箱被用作无菌屏障的应用。这种类型的密封比机械密封使用的频率低，在研究数据中，主要是在工作容积小于20L的顶部驱动的玻璃生物反应器中。然而，对于磁性联轴器和机械密封来说，就不能做出如此严格的区分了。这些产品既可用于一次性使用，也可用于玻璃和不锈钢系统，还可用于顶部和底部驱动的系统，以及微生物和细胞培养的应用（表3）。然而，即使没有严格的规则，也可以确定某些趋势。大多数一次性使用系统都使用了磁性联轴器，这些系统主要是为无菌要求高的细胞培养过程而设计。所有类型的密封都用于可重复使用生物反应器中的细胞培养过程，建议将双机械密封作为无菌连接的磁力耦合的良好替代品。底部搅拌器更经常配备磁力耦合器，顶部搅拌器配备机械密封。应该注意的是，填料箱和唇形密封不用于底部安装，因为它们的卫生适用性差，容易泄漏。对于纯粹的微生物生物反应器，机械和唇式密封占主导地位，但不是唯一使用的，特别是如果同一供应商有类似设计的细胞培养生物反应器。然而，这种机械和磁性联接的重叠使用并不一定表明对个别方法优点的误解，经济和技术原因可以起到决定性作用，有针对性的研究可以增加应用的领域和降低价格。图6中描述了密封选择的简化指南。
研究和开发主要是在使用磁密封生物反应器的生物制药生产工艺领域进行的，其中典型的应用容量为细菌500L和哺乳动物3000L。磁力驱动的应用受限于培养液的粘度，以及与扭矩相关的动力输入无法分散气体和实现容器内的均匀性。可能的最大扭矩是由磁场强度定义的，与电机功率无关，这意味着当超过负载极限时，联轴器会断裂。因此，磁驱动主要用于小规模和一次性使用的容器中（表3）。使用磁力耦合器的系统可达20m³甚至30m³，在不需要快速混合时间或高传质的非生物混合过程或制备系统中的应用尤为普遍。然而，最近在大型生物工艺中使用磁性联轴器方面也取得了技术进展。因为生物（卫生设计和SIP/CIP能力）、机械和化学安全（基于轴承系统可能的磨损）的担忧，以及早期缺乏速度和扭矩监测，它们最初的工业应用是有争议的，由于资格认证和验证的增加，磁性搅拌器已经能够获得越来越多的认可。诸如产品端和环境之间的密封隔离、纳入测量和控制策略，以及使用底部安装的磁力搅拌器来处理低于最大容器体积10%的特别低容量，使其适用于多用途工厂等优势，也促进了其接受度的提高。这导致了一种情况，即磁性联轴器不仅用于病原体，也就是当密封性是主要考虑的时候。以前，机械密封是需要有效CIP程序的高扭矩工艺的首选，然而，随着所谓的浮动轴承的出现，这种情况发生了变化，它用于轻微摆动的底部安装的磁力搅拌器，有一个简单的轴承轴颈，叶轮和密封壳之间有足够大的间隙。由此产生的轻微提升和位移效应确保了间隙中带有泰勒涡流的轴向流动，这支持了CIP和SIP策略，并防止了工艺过程中的积累和后续污染。
在下面的章节中，将考虑四种最典型的密封，首先是如今只用于非无菌过程的填料函。
填料箱
填料箱（图2）是最早的动态密封技术之一，在20世纪50年代之前几乎一直在使用。在蒸汽船的早期，它们经常被用来密封穿过船体的驱动轴，通常是以浸过油脂的布的形式塞在船尾管和外壳之间。这些多功能但非常简单的密封件，主要用于顶部驱动系统，其基本结构包括一个围绕轴的外壳，它被固定在船上，并填充有压缩密封材料，以尽量减少泄漏。在最简单的情况下，这种包装材料可以是浸泡在石蜡中的麻绳，这些麻绳被堆放在壳体中，并在可调板和环（压盖和压盖从动环）的帮助下被压缩，以密封轴和壳体之间的间隙。现在，填料往往由一个或多个不同材料、不同形状的填料环组成。例如，有片状填料环，由铬钢、镍、铜或铅制成的波纹状金属嵌件组成，分层在棉花、石棉、丙烯酸、PTFE（聚四氟乙烯）、Kevlar（芳纶纤维）或石墨丝上。另一种可能性是铝箔包装环，它由纤维芯包裹在铝或其他合金中。另外，还有由铅或铜制成的自润滑空心环，其中充满了石墨润滑剂，可以通过指向旋转轴的小径向孔溢出。在楔形套筒填料环中，楔形环上的轴向张力对软材料插入物施加压力，通过套筒环传递到运行表面。根据设计和包装材料的不同，填料函可用于轴直径为10-200mm，温度高达520℃，压力高达300巴，但只有约0.3m/s的低滑动速度。虽然不能实现无菌密封，但通过使用两个填料箱，一个加载蒸汽的冲洗环彼此分开，可以实现更卫生的密封。额外的润滑剂被注入填料箱，以确保它们即使在高压下也会保持气密性。
图2 由轴（1）、压盖（2）、螺钉（3）、外壳（4）、填料（5）和底衬（6）组成的填料箱
由于填料因摩擦而产生塑性变形和磨损，压盖必须不时地被拧紧，并最终被更换。与这种类型的密封有关的一个问题是产品的杂质。填料纤维、搅拌器轴的金属磨损和润滑剂造成的产品杂质，由于不能说明通过这种密封的泄漏率，所以很难符合环境法规和卫生设计概念。因此，填料函在化工和制药行业的使用越来越少，正在被机械密封所取代。然而，他们仍然使用的应用领域是离心泵、压缩机和高压轴向活塞泵，以及开放式培养系统。
唇密封
唇式密封可能是搅拌技术中使用的最简单和最具成本效益的密封。它们被用于轴向和径向密封，其中径向轴密封是最常见的应用。与其他密封类型相比，它们的密封效率较低，但可以实现强大的密封，并有很长的使用寿命。在小型装置中使用时，可以达到强大的密封效果，并有很长的使用寿命。径向轴密封（图3）通常用于齿轮轴，以密封润滑脂和油，尽管它们通常允许高达35m/s的旋转速度，但它们通常不能承受超过100°C的温度和超过0.5巴的压力。然而，它们可以通过实施复杂的轴轴承，只允许轴偏差达到0.01mm，从而可以密封高达6巴的高压。 即使密封最初是令人满意的，随着时间的推移，特别是在高速情况下，确实会出现快速的磨损，这将导致系统的泄漏。因为不能保证永久无菌屏障，这些密封不适合用于制药业的长期或连续培养。因此，它们通常被用来在大气压力下防止污物进入罐子，并防止工艺蒸汽无阻碍地释放到环境中。
图3 径向轴封由轴(1)、外壳(2)、保护唇(3)、密封唇(4)、金属加固环(5)和拉伸弹簧环(6)组成
与轴的动态密封是由弹性体或聚四氟乙烯制成的密封唇形成的，径向所需的接触压力是由一个拉伸弹簧环实现的。此外，一个类似橡胶的外表面与容器形成静态密封。
机械密封
机械密封，在技术上被认为是严密的,自20世纪50年代以来，在搅拌器技术中一直是前面提到的密封系统的替代品，它们仍然符合今天生物制药行业中搅拌式培养系统的要求。密封是由两个密封元件在轴向相互滑动而形成的，其中一个元件是动态的，因为它连接到旋转的搅拌器轴上。动态元件在轴向压缩的情况下，在位于容器上的静态安装的对应元件上滑动。为了确保在各种温度下的永久密封，动态密封在轴向安装了弹簧，以使密封间隙保持紧密。也有必要在两个元件之间形成一层液体薄膜，否则就会产生热量，发生过度磨损。这种简单的安排被称为单一机械密封，它通常由容器中的介质润滑。然而，即使是这些单一的机械密封也会带来污染的风险，在底部安装的系统中，整个容器的内容物会泄漏，而在顶部安装的系统中则会形成气溶胶。由于这些原因，特别是对于高风险类别的生物，使用双作用（图4）甚至三作用的机械密封。这些都是由几对串联的单体机械密封组成的。在双机械密封的情况下，一对密封元件产品室的内部，第二对密封元件外部。两对密封元件之间的空间作为冲洗室，其中充满了无菌密封液体，这提供了润滑、冷却和排放磨损，同时也防止液体从容器中流出，阻止污染物从大气环境中进入。与产品兼容的密封液体被加压，以便即使在发生小的泄漏时也能保持无菌屏障，这和中间空间的灭菌是通过加压系统进行的，最简单的形式是使用清洁蒸汽或清洁蒸汽冷凝物和压缩空气。
图4 双重机械密封由轴（1）、衬套（2）、外壳（3）、弹簧（4）、间隔环（5）、O型圈（6）、安装在外壳上的静态元件（7）、安装在轴上的动态元件（8）和带有密封液体的冲洗室（9）组成
除了静态和动态密封元件（通常由碳化硅、碳石墨或这两种材料的复合材料制成）之外，还需要静态的碳氟化合物、O型圈密封件来密封容器、轴和密封元件之间的接触面。 这使得机械密封可用于轴直径为5-500mm，温度为-200至+450℃，压力为450巴，旋转速度为100m/s的情况下。
尽管机械密封是搅拌器系统中最常用的密封，由于其优越的耐用性和较低的污染概率，它们往往是污染问题的主要原因。这通常是由于操作不当或为了节约成本而没有进行主动的维护间隔。
密封圈-磁力耦合器
为了搅拌一个密封的容器，从而将污染的风险降到最低，并使高压过程在远远超过400巴的情况下没有泄漏的风险，必须通过封闭的容器壁向叶轮提供能量。为此，动力是通过磁场传输的。用于磁力搅拌生物反应器的不同叶轮或搅拌器轴组件见图5描述。这导致了一个耦合系统，与上述系统不同，可以完全无磨损，从而保证了使用寿命。然而，可以传输的旋转功率受到最大扭矩的限制，而最大扭矩本身又受到磁铁强度的限制。此外，这些磁铁通常包括稀土材料，这种系统的应用领域是由磁铁的耐温性决定的，意味着这种类型的联轴器主要实施于在中等温度下运行的过程和温度高达120℃的消毒过程，这是由于铁磁特性在高温下会变差。这些问题可以通过使用由钕制成的非常强大的磁铁与过渡金属相结合来解决，以提供对高达300℃温度的抵抗力。在工业领域，基于轴承和悬浮式磁驱动系统（如下所述）都被使用。
图5 带有磁力耦合的密封容器，其中有一个轴承安装的叶轮（a），一个带有叶轮的轴承安装的轴（b），一个带有内部转子的悬浮叶轮（c），一个带外部转子的悬浮叶轮(d)，以及基于磁体-超导体相互作用的叶轮（e）。涉及的部件有滑动轴承或滚子轴承（1），用于磁耦合的被动磁铁（2）和主动或被动磁铁（3），驱动器（4），定子和电力电子单元（5），以及使用超导材料的驱动器（6)
基于轴承的系统
在基于轴承的系统中，叶轮通过位于驱动器和搅拌器轴上的永久磁铁进行运动，这两个轴被隔离在安全壳之外。由于搅拌器轴和叶轮的轴承位于容器内，出于卫生原因，通常使用兼容CIP的氧化锆陶瓷滑动轴承和滚子轴承。容器外的驱动轴由传统的电机元件提供动力，在某些情况下，这可能需要在容器的顶部或下面有一个大型的建筑。另一个缺点是，如果轴承的润滑不足，就会发生摩擦，这可能导致材料磨损，影响产品纯度。系统一般有培养基或培养液润滑；因此，应避免系统干运行。特别是在底部驱动的系统中，单轴承轴颈直接位于培养基中，必须注意确保容器外壳和直接安装的叶轮之间有足够大的间隙，以避免高度破坏性的剪切率，并使CIP和SIP程序容易执行。如果水力流动效应不能在安全壳和叶轮之间的缝隙中提供足够的清洁，也可以使用滑动表面有额外径向和轴向沟槽的滑动轴承来实现最佳清洁。相比之下，顶部驱动系统要么也由陶瓷滚子轴承支撑，要么在轴承室内配备商用油润滑滚子轴承，通过机械密封与容器内部分离。这些系统可用于400L以下的容器，额定扭矩为0.7-115Nm，而底部安装的系统可用于30m³以下安全壳中的150Nm。
悬浮式系统
可以对两种不同类型的悬浮驱动技术进行基本区分，其中叶轮在容器内受到磁力支持。
超导混合器使用叶轮中的传统永久磁铁，与容器下方驱动装置中超导材料之间的非接触磁耦合。超导材料检测由永久磁铁产生的磁场，将其储存起来，并试图将其固定在一个平衡的位置上，以便在施加外力时保持磁铁和叶轮的位置。由磁铁-超导体相互作用产生的非常稳定的耦合允许速度达到210rpm，温度范围为4-60℃。由于驱动单元是移动的，它可以连续使用多个容器，最大流体体积为1000L。
一种不同的方法通常应用于无轴承泵系统，它被用于生物技术以及医学，作为治疗心脏疾病的左心室辅助装置或在心脏移植期间维持血液循环。无轴承泵系统的特点是剪切应力低，这使得它们被用于生物反应器和制药业的混合系统。
无刷驱动器和必要的磁性轴承被容纳在一个单元中，意味着不需要用于驱动转子的轴和机械轴承。因此，维护和服务成本降低，因为没有易损件，也不需要润滑。使用电磁铁使磁性轴承成为主动，而使用永久磁铁则是被动的磁性轴承。为了稳定叶轮，沿三个运动轴的旋转和平移都必须被控制。然而，总共六个自由度中只有五个需要稳定，因为转子沿主轴的旋转是由驱动装置决定的，其余五个自由度的稳定是通过被动和主动磁性轴承的组合实现的。被动磁性轴承使用由稀土元素制成的永久磁铁，其特点是高能量密度和小空间要求。相反，当需要精确的位置控制或轴承刚性时，就会使用主动磁轴承。
无轴承磁电机最简单的设计是无轴承片状电机，在这种类型的驱动中，转子由一个环形的、两极的永磁体组成，其磁化方向与转子平面相反。六个自由度中有三个是被动或主动稳定的，一个永磁环可以用来稳定沿x和z方向的旋转和沿y轴的平移。转子在x轴和z轴原点上的定心是由两个有源磁轴承实现的，最后一个自由度，即绕y轴的旋转，由电机驱动装置主动控制。为了在高速下稳定转子的径向位置，磁场每秒调整10000次。
悬浮驱动的叶轮在混合过程中，不会产生摩擦或机械应力，这意味着不会产生可能污染产品的颗粒。因此，悬浮系统适用于超纯和无菌混合过程。
密封圈类型选择
本节根据表达生物和加工模式，为选择合适的密封圈提供建议。选择是基于无菌要求和经济考虑之间的妥协，在大多数情况下，只要工艺条件不禁止，当然可以使用更高质量的密封圈（例如，对于微生物工艺，使用机械密封比使用磁力耦合更容易达到高速）。图6显示了为特定目的选择正确密封的简单程序，这种分类主要是基于无菌要求，其次是经济或密封性方面的考虑。因此，开放式的微生物和藻类工艺以及一次性使用系统中的短期实验，都可以用简单的机械密封来进行。细胞培养过程和必须不惜一切代价避免生物体或其产品逃逸到环境中的过程，应使用多重机械密封或磁性联接。表4给出了密封类型与个别生物体类型和工艺模式的更精确匹配，同时也考虑到了要获得的产品，这种分配方式可以让我们做出一个安全的、同时也是低成本的选择。
图6 密封性选择：基于生物工艺要求和经济考虑。廉价的密封方法可能被能产生更紧密密封的方法所取代（例如，机械密封的唇形密封)
表4 基于生物体、产品和工艺模式的密封建议
结论和展望
密封件或电机联轴器的使用和选择，对于确保生物技术生产过程中的无菌性是最重要的。在实验室和试验规模中最常用的密封是唇形密封、机械密封和磁性联轴器。唇式密封是最简单的密封类型，主要用于较小的顶部驱动系统。机械密封和磁性联轴器用于微生物和细胞培养的一次性或可重复使用的生物反应器系统，具有顶部或底部驱动，取决于制造商。两种系统的优势--磁力耦合的无菌性更好，机械密封的可能扭矩更高--似乎并没有明显影响制造商的密封选择，特别是在较小的规模。对无菌性和工艺安全的要求越来越高，有利于磁耦合系统，这也是越来越多研究的主题。因此，磁驱动系统的基本扭矩限制问题，应该通过技术进步和使用钕磁铁来最小化，这是目前市场上最强的永久磁铁。近年来，在更复杂的混合过程中使用磁力驱动系统的趋势越来越明显，例如在微生物和细胞培养的应用中，这也加速了发展，目前的规模达到了30-40m³。同样，我们也可以看到越来越多悬浮式底部搅拌器系统的使用，由于性能范围广泛，这些系统既适用于强力混合，也适用于低剪切力混合。
